DE102017215561A1 - FMCW radar sensor with synchronized high frequency components - Google Patents

FMCW radar sensor with synchronized high frequency components Download PDF

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Marcel Mayer
Klaus Baur
Michael Schoor
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

FMCW-Radarsensor mit mehreren Hochfrequenzbausteinen (10, 12), die durch ein Synchronisationssignal (sync) miteinander synchronisiert sind und von denen mindestens einer einen Sendeteil (16) zum Erzeugen eines in seiner Frequenz modulierten Sendesignals (TX) aufweist, und von denen mindestens zwei räumlich voneinander getrennte Hochfrequenzbausteine (10, 12) jeweils einen Empfangsteil (20) zum Empfang eines Radarechos (E) aufweisen, wobei jedem Empfangsteil (20) ein Mischer (22), der durch Mischen des empfangenen Signals (RX) mit einem Anteil des Sendesignals (TX) ein Zwischenfrequenzsignal (Z1, Z2) erzeugt, und eine Auswerteeinheit (24, 34) zugeordnet sind und die Auswerteeinheit (24, 34) dazu ausgebildet ist, das Zwischenfrequenzsignal (Z1, Z2) über eine Messperiode als Funktion der Zeit aufzuzeichnen und das so erhaltene Zeitsignal (S1, S2) einer Fouriertransformation zu unterziehen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine (34) der Auswerteeinheiten dazu ausgebildet ist, zum Ausgleich eines Laufzeitunterschieds des Synchronisationssignals (sync) zwischen den Empfangsteilen (20), das Zeitsignal (S1) vor der Fouriertransformation mit einer komplexwertigen Fensterfunktion (V) zu fenstern.An FMCW radar sensor comprising a plurality of radio frequency components (10, 12) synchronized with one another by a synchronization signal (sync), at least one of which has a transmission part (16) for generating a frequency modulated transmission signal (TX), and at least two of them spatially separated high-frequency components (10, 12) each having a receiving part (20) for receiving a Radarechos (E), each receiving part (20) a mixer (22) by mixing the received signal (RX) with a portion of the transmission signal (TX) generates an intermediate frequency signal (Z1, Z2), and an evaluation unit (24, 34) are assigned and the evaluation unit (24, 34) is adapted to record the intermediate frequency signal (Z1, Z2) over a measurement period as a function of time and subjecting the time signal (S1, S2) thus obtained to a Fourier transformation, characterized in that at least one (34) of the evaluation units is adapted to Compensation of a transit time difference of the synchronization signal (sync) between the receiving parts (20), the time signal (S1) before the Fourier transform with a complex valued window function (V) to windows.

Description

Die Erfindung betrifft einen FMCW-Radarsensor mit mehreren Hochfrequenzbausteinendie durch ein Synchronisationssignalmiteinander synchronisiert sind und mindestens zwei räumlich voneinander getrennte Hochfrequenzbausteine umfassen, die jeweils einen Sendeteil zum Senden eines in seiner Frequenz modulierten Sendesignals und/oder einen Empfangsteil zum Empfang eines Radarechos aufweisen, wobei jedem Empfangsteil ein Mischer der durch Mischen des empfangenen Signals mit einem Anteil des Sendesignals ein Zwischenfrequenzsignal erzeugt, und eine Auswerteeinheit zugeordnet sind und die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, das Zwischenfrequenzsignal über eine Messperiode als Funktion der Zeit aufzuzeichnen und das so erhaltene Zeitsignal einer Fouriertransformation zu unterziehen.The invention relates to an FMCW radar sensor having a plurality of radio frequency components which are synchronized by a synchronization signal and comprise at least two spatially separated radio frequency components, each having a transmitting part for transmitting a frequency modulated transmission signal and / or a receiving part for receiving a radar echo, each receiving part a mixer which generates an intermediate frequency signal by mixing the received signal with a portion of the transmission signal, and an evaluation unit are assigned and the evaluation unit is adapted to record the intermediate frequency signal over a measurement period as a function of time and to subject the time signal thus obtained to a Fourier transform.

Stand der TechnikState of the art

In bekannten FMCW-Radarsensoren wird die Frequenz des Sendesignals rampenförmig moduliert. Im Empfangsteil erhält man durch Mischen des empfangenen Signals mit dem Sendesignal ein Zwischenfrequenzsignal, dessen Frequenz vom Frequenzunterschied zwischen dem aktuell gesendeten Signal und dem empfangenen Signal abhängig ist. Aufgrund der rampenförmigen Modulation ist dieser Frequenzunterschied von der Laufzeit der Radarwellen vom Sensor zum Objekt und zurück zum Sensor abhängig. Durch Fouriertransformation erhält man ein Spektrum des Zwischenfrequenzsignals, in dem sich jedes geortete Objekt als ein Peak bei einer vom Abstand des Objekts abhängigen Frequenz abzeichnet. Aufgrund des Doppler-Effekts ist die Frequenzlage des Peaks allerdings auch von der Relativgeschwindigkeit des Objekts abhängig. Um die abstands- und geschwindigkeitsabhängigen Anteile voneinander zu trennen ist es bekannt, nacheinander mehrere Frequenzrampen mit unterschiedlicher Steigung zu fahren. Da nur der abstandsabhängige Anteil der Frequenz von der Rampensteigung abhängig ist, lassen sich durch Vergleich der auf den verschiedenen Rampen erhaltenen Frequenzlagen der Abstand und die Relativgeschwindigkeit des Objekts bestimmen.In known FMCW radar sensors, the frequency of the transmission signal is modulated in a ramp. In the receiving part is obtained by mixing the received signal with the transmission signal an intermediate frequency signal whose frequency depends on the frequency difference between the currently transmitted signal and the received signal. Due to the ramp-shaped modulation, this frequency difference depends on the transit time of the radar waves from the sensor to the object and back to the sensor. By Fourier transformation one obtains a spectrum of the intermediate frequency signal in which each located object emerges as a peak at a frequency dependent on the distance of the object. Due to the Doppler effect, however, the frequency position of the peak also depends on the relative speed of the object. In order to separate the distance-dependent and speed-dependent portions from each other, it is known to drive a plurality of frequency ramps with different pitch one after the other. Since only the distance-dependent component of the frequency is dependent on the ramp gradient, the distance and the relative speed of the object can be determined by comparison of the frequency positions obtained on the various ramps.

Der Umstand, dass die Messperiode, über die das Zeitsignal aufgezeichnet wird, nur eine begrenzte Länge haben kann, führt dazu, dass bei der Fouriertransformation Artefakte in der Form von Nebenmaxima erzeugt werden, die die Interpretation des Signals erschweren. Es ist bekannt, solche Nebenmaxima dadurch weitgehend zu unterdrücken, dass das Zeitsignal vor der Fouriertransformation mit einer geeigneten Fensterfunktion „gefenstert“ wird, beispielsweise indem das Zeitsignal mit einer ebenfalls zeitabhängigen Fensterfunktion multipliziert wird. Die Fensterfunktion, beispielsweise ein sogenanntes Hamming-Fenster, hat in erster Linie die Wirkung, dass die abrupten Übergänge im Zeitsignal am Beginn und am Ende der Messperiode geglättet und dadurch die Nebenmaxima gemildert werden.The fact that the measurement period over which the time signal is recorded can only have a limited length leads to the fact that the Fourier transformation generates artifacts in the form of secondary maxima which make the interpretation of the signal more difficult. It is known to largely suppress such secondary maxima by "windowing" the time signal before the Fourier transformation with a suitable window function, for example by multiplying the time signal by a likewise time-dependent window function. The window function, for example a so-called Hamming window, has primarily the effect that the abrupt transitions in the time signal are smoothed at the beginning and at the end of the measurement period and thereby the secondary maxima are mitigated.

Radarsensoren dieser Art werden bereits in weitem Umfang als sensorische Komponenten in Fahrerassistenzsystemen für Kraftfahrzeuge eingesetzt. Im Zuge einer Weiterentwicklung der Fahrerassistenzsysteme in Richtung hochautonomes Fahren werden an die Leistungsfähigkeit der Radarsensoren zunehmend höhere Anforderungen gestellt. Ein vergleichsweise kostengünstiger Weg, diese Anforderungen zu erfüllen, besteht darin, dass man, statt neue und leistungsfähigere Komponenten zu entwickeln, mehrere Komponenten desselben Typs parallel zueinander arbeiten lässt. Das erlaubt es, auf bereits vorhandene und in Serie gefertigte Komponenten zurückzugreifen, setzt allerdings voraus, dass die mehreren Hochfrequenzbausteine präzise miteinander synchronisiert werden.Radar sensors of this type are already widely used as sensory components in driver assistance systems for motor vehicles. In the course of further development of the driver assistance systems in the direction of highly autonomous driving, the performance of the radar sensors is subject to increasingly greater demands. A relatively inexpensive way to meet these requirements is to have multiple components of the same type run in parallel, rather than developing new and more powerful components. This makes it possible to fall back on existing and mass-produced components, but requires that the several high-frequency components are precisely synchronized with each other.

Da die verschiedenen Hochfrequenzbausteine notwendig einen gewissen räumlichen Abstand zueinander aufweisen müssen, erweist sich eine hinreichend genaue Synchronisation angesichts der unvermeidlichen Signallaufzeit des Synchronisationssignals von einem Baustein zum anderen jedoch als schwierig. Zwar ist es unter Umständen möglich, Laufzeitunterschiede durch symmetrische Anordnung der Bausteine oder durch Umwegleitungen zu vermeiden, doch erfordert dies einen nicht unbeträchtlichen Aufwand sowie einen erhöhten Platzbedarf auf der Platine. Das gilt insbesondere in den Fällen, in denen auch der Baustein, der als Master das Synchronisationssignal erzeugt, mit den übrigen Bausteinen (Slaves) synchronisiert werden soll. Im Master muss dann das lokal erzeugte Synchronisationssignal künstlich verzögert werden.Since the various high-frequency components must necessarily have a certain spatial distance from one another, a sufficiently precise synchronization proves difficult in view of the unavoidable signal propagation time of the synchronization signal from one component to another. Although it may be possible to avoid runtime differences by symmetrical arrangement of the blocks or by detour lines, but this requires a not inconsiderable expense and an increased space requirement on the board. This is especially true in cases where the block that generates the synchronization signal as the master is to be synchronized with the other blocks (slaves). In the master then the locally generated synchronization signal must be artificially delayed.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Radarsensor der eingangs genannten Art eine einfachere Synchronisation der mehreren Hochfrequenzbausteine zu ermöglichen.The object of the invention is to allow for a radar sensor of the type mentioned a simpler synchronization of the multiple high-frequency components.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens eine der Auswerteeinheiten dazu ausgebildet ist, zum Ausgleich eines Laufzeitunterschieds des Synchronisationssignals zwischen den Empfangsteilen, das Zeitsignal vor der Fouriertransformation mit einer komplexwertigen Fensterfunktion zu fenstern.This object is achieved in that at least one of the evaluation is designed to fen to compensate for a delay difference of the synchronization signal between the receiving parts, the time signal before the Fourier transform with a complex valued window function.

Die Erfindung nutzt eine Eigenschaft der Fouriertransformation aus, die darin besteht, dass sich durch eine geeignete komplexwertige Fensterfunktion erreichen lässt, dass sich das durch die Fouriertransformation erhaltene Spektrum um einen einstellbaren Betrag auf der Frequenzachse verschiebt. Wenn das Sendesignal von einem Baustein gesendet und von einem anderen Baustein empfangen wird, so führt die Signallaufzeit des Synchronisationssignals von dem einen Baustein zum anderen beim Mischen des empfangenen Signals mit dem Sendesignal (das seinerseits mit dem Synchronisationssignal synchron ist) zu einem Frequenzunterschied, der sich auf das Spektrum des Zwischenfrequenzsignals ähnlich auswirkt wie eine geänderte Signallaufzeit der Radarwellen, und der somit eine Änderung des Objektabstands vortäuscht. Da sich nun die durch die Fensterfunktion erreichte Frequenzverschiebung des Peaks im Spektrum ebenfalls als (scheinbare) Änderung des Objektabstands interpretieren lässt (der Einfluss des Dopplereffekts bei nicht verschwindender Relativgeschwindigkeit braucht hier nicht berücksichtigt zu werden), lässt sich die Signallaufzeit des Synchronisationssignals durch eine geeignete Frequenzverschiebung mittels der Fensterfunktion kompensieren, ohne dass aufwendige Maßnahmen zur Angleichung der Lauflängen des Synchronisationssignals zu den einzelnen Bausteinen erforderlich sind.The invention exploits a property of the Fourier transformation, which consists in the fact that it can be achieved by a suitable complex-valued window function that the. By the Fourier transform obtained spectrum shifts by an adjustable amount on the frequency axis. When the transmission signal is transmitted from one device and received by another device, the signal propagation time of the synchronization signal from one device to another results in a difference in frequency when mixing the received signal with the transmission signal (which in turn is synchronous with the synchronization signal) on the spectrum of the intermediate frequency signal similar effect as a changed signal delay of the radar waves, and thus simulates a change in the object distance. Since the frequency shift of the peak in the spectrum achieved by the window function can also be interpreted as (apparent) change of the object distance (the influence of the Doppler effect at non-vanishing relative speed need not be considered here), the signal propagation time of the synchronization signal can be adjusted by a suitable frequency shift Compensate by means of the window function, without consuming measures to match the run lengths of the synchronization signal to the individual blocks are required.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments and further developments of the invention are specified in the subclaims.

In einer Ausführungsform wird einer der Hochfrequenzbausteine als Master betrieben, während ein oder mehrere weitere Hochfrequenzbausteine als Slaves arbeiten. Dabei können sowohl der Master als auch die Slaves jeweils einen Sendeteil und einen Empfangsteil aufweisen, so dass zwischen Betriebsarten gewechselt werden kann, in denen der Master oder einer der Slaves das Sendesignal sendet. Die Radarechos können dann von allen Hochfrequenzbausteinen empfangen werden, also auch von dem Baustein, der das Sendesignal gesendet hat. Der Synchronisationsfehler kann jeweils bei dem Baustein kompensiert werden, der das Radarecho empfängt aber nicht selbst sendet.In one embodiment, one of the high-frequency components is operated as a master, while one or more further high-frequency components operate as slaves. In this case, both the master and the slaves each have a transmitting part and a receiving part, so that it is possible to switch between operating modes in which the master or one of the slaves transmits the transmission signal. The radar echoes can then be received by all radio frequency components, including the component that sent the transmission signal. The synchronization error can be compensated in each case with the block that receives the radar echo but does not send itself.

Die Erfindung ist auch bei einer Konfiguration anwendbar, bei der ein einzelner Hochfrequenzbaustein Signale empfängt, die von verschiedenen, räumlich voneinander getrennten Hochfrequenzbausteinen gesendet wurden (mit Signaltrennung beispielsweise im Zeit-, Code- oder Frequenzmultiplex).The invention is also applicable to a configuration in which a single RF component receives signals transmitted from different spatially separated RF components (with signal separation in, for example, time, code or frequency division multiplexing).

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert.In the following an embodiment will be explained in more detail with reference to the drawing.

Es zeigen:

  • 1 ein Blockdiagramm der wesentlichen Komponenten eines erfindungsgemäßen Radarsensors;
  • 2 ein Zeitdiagramm zur Illustration der Frequenzmodulation beim einem FMCW-Radar;
  • 3 Beispiele für Zeitsignale, die in verschiedenen Hochfrequenzbausteinen des Radarsensors nach 1 empfangen werden; und
  • 4 Spektren der Zeitsignale nach 3.
Show it:
  • 1 a block diagram of the essential components of a radar sensor according to the invention;
  • 2 a timing diagram illustrating the frequency modulation in a FMCW radar;
  • 3 Examples of time signals in the various high-frequency components of the radar sensor after 1 to be received; and
  • 4 Spectra of the time signals 3 ,

Der in 1 gezeigte Radarsensor weist zwei baugleiche Hochfrequenzbausteine 10, 12 auf, die jeweils eine Antennenanordnung 14, einen Sendeteil 16 mit einem lokalen Oszillator 18, und einen Empfangsteil 20 mit einem Mischer 22 enthalten. Die Antennenanordnung 14 dient sowohl zum Senden als auch zum Empfangen von Radarwellen und ist somit gemeinsamer Bestandteil des Sendeteils 16 und des Empfangsteils 20. Im gezeigten Beispiel arbeitet der Hochfrequenzbaustein 10 als Master und der Hochfrequenzbaustein 12 als Slave. Der Master erzeugt ein Synchronisationssignal sync, das an den als Slave arbeitenden Hochfrequenzbaustein 12 (und gegebenenfalls an weitere Slaves) übermittelt wird. Der lokale Oszillator 18 im Hochfrequenzbaustein 12 (Slave) erzeugt ein frequenzmoduliertes Sendesignal TX mit einem rampenförmigen Modulationsschema, das mit dem Synchronisationssignal sync synchronisiert ist, und übermittelt dieses Sendesignal TX (im gezeigten Beispiel über dem Mischer 22) an die Antennenanordnung 14, so dass Radarwellen RW abgestrahlt werden. Das von einem nicht gezeigten Objekt reflektierte Radarecho E wird von der Antennenanordnung im Hochfrequenzbaustein 12 empfangen. Ein empfangenes Signal RX wird im Mischer 22 mit einem Anteil des Sendesignals TX gemischt, wodurch ein Zwischenfrequenzsignal Z1 erzeugt wird, das an eine Auswerteeinheit 24 ausgegeben wird.The in 1 shown radar sensor has two identical high-frequency components 10 . 12 on, each having an antenna array 14 , a broadcast part 16 with a local oscillator 18 , and a reception section 20 with a mixer 22 contain. The antenna arrangement 14 is used both for transmitting and for receiving radar waves and is thus a common part of the transmission part 16 and the receiving part 20 , In the example shown, the high-frequency component operates 10 as master and the high-frequency module 12 as a slave. The master generates a synchronization signal sync which is sent to the high-frequency module operating as a slave 12 (and possibly to other slaves) is transmitted. The local oscillator 18 in the high-frequency module 12 (Slave) generates a frequency-modulated transmission signal TX with a ramp-shaped modulation scheme synchronized with the synchronization signal sync, and transmits this transmission signal TX (in the example shown above the mixer 22 ) to the antenna assembly 14 so that radar waves RW be radiated. The radar echo E reflected by an object, not shown, is emitted by the antenna arrangement in the radio-frequency module 12 receive. A received signal RX gets in the mixer 22 with a portion of the transmission signal TX mixed, creating an intermediate frequency signal Z1 is generated, the an evaluation 24 is issued.

Die Auswerteeinheit 24 enthält eine Vorverarbeitungsstufe 26 mit einem Zeitsignalmodul 28, in dem das Zwischenfrequenzsignal Z1 digitalisiert und über eine bestimmte Messperiode als Funktion der Zeit aufgezeichnet wird. Auf diese Weise wird ein digitales Zeitsignal S1 gebildet, das an ein Fouriertransformationsmodul 30 der Auswerteeinheit 24 übergeben und dort durch Fouriertransformation in ein Spektrum F[S1] umgewandelt wird. Das Spektrum ist in 1 auch graphisch dargestellt und enthält einen einzelnen Peak 32, dessen Frequenzlage den Abstand des georteten Objekts angibt (der Einfachheit halber soll hier angenommen werden, dass die Relativgeschwindigkeit des Objekts null ist, so dass keine Dopplerverschiebung vorliegt).The evaluation unit 24 contains a pre-processing stage 26 with a time signal module 28 in which the intermediate frequency signal Z1 digitized and recorded over a specific measurement period as a function of time. In this way, a digital time signal S1 formed to a Fourier transform module 30 the evaluation unit 24 pass and there by Fourier transformation into a spectrum F [S1] is converted. The spectrum is in 1 also shown graphically and contains a single peak 32 whose frequency position indicates the distance of the located object (for the sake of simplicity, it should be assumed here that the relative speed of the object is zero, so that there is no Doppler shift).

Der als Master arbeitende Hochfrequenzbaustein 10 dient in diesem Beispiel nicht zum Senden, sondern nur zum Empfang des Radarechos E. Der lokale Oszillator 18 im Hochfrequenzbaustein 10 erzeugt das Sendesignal TX, das in der gleichen Weise frequenzmoduliert ist wie im Hochfrequenzbaustein 12, wobei das Modulationsschema mit dem Synchronisationssignal sync synchronisiert ist, das in dem Hochfrequenzbaustein 10 lokal erzeugt wird. Das Sendesignal TX wird in diesem Fall jedoch nicht an die Antennenanordnung 14 weitergeleitet sondern wird lediglich im Mischer 22 mit dem Empfangssignal RX gemischt, so dass man auch hier ein Zwischenfrequenzsignal Z2 erhält, das bei perfekter Synchronisation mit dem Zwischenfrequenzsignal Z1 identisch sein sollte.The high frequency module working as master 10 In this example it is not used for sending, but only for receiving the radar echo E. The local oscillator 18 in the high-frequency module 10 generates the transmission signal TX which is frequency modulated in the same way as in the high frequency device 12 , wherein the modulation scheme is synchronized with the synchronization signal sync stored in the high frequency device 10 is generated locally. The transmission signal TX In this case, however, it does not touch the antenna arrangement 14 forwarded but only in the mixer 22 with the received signal RX mixed, so that here too an intermediate frequency signal Z2 receives, with perfect synchronization with the intermediate frequency signal Z1 should be identical.

Das Zwischenfrequenzsignal Z2 gelangt an eine Vorverarbeitungsstufe, die hier mit 26' bezeichnet ist und sich von der Vorverarbeitungsstufe 26 nur dadurch unterscheidet, dass dem Zeitsignalmodul 28 ein Fenstermodul 36 nachgeschaltet ist, in dem das aus dem Zwischenfrequenzsignal Z2 erzeugte Zeitsignal S2 mit einer Fensterfunktion V gefenstert wird. Dadurch wird ein modifiziertes Zeitsignal S2_m gebildet, das dann im Fouriertransformationsmodul 30 der Fouriertransformation unterzogen wird. Das auf diese Weise erhaltene Spektrum
F[S2_m] soll im Idealfall mit dem im Hochfrequenzbaustein 12 erhaltenen Spektrum F[S1] identisch sein und somit einen Peak 38 zeigen, dessen Frequenzlage mit der des Peaks 32 übereinstimmt. Unter dieser Voraussetzung kann man die in den beiden (oder mehreren) Hochfrequenzbausteinen erhaltenen Spektren einer kombinierten Auswertung unterziehen, um eine größere Leistungsfähigkeit des Radarsensors zu erreichen. Beispielsweise können die beiden Spektren addiert werden, um das Signal/Rausch-Verhältnis zu verbessern.
The intermediate frequency signal Z2 arrives at a preprocessing stage, designated here at 26 ', and from the preprocessing stage 26 only differs in that the time signal module 28 a window module 36 is downstream, in which the from the intermediate frequency signal Z2 generated time signal S2 with a window function V is fenestrated. This will be a modified time signal S2_m then formed in the Fourier transform module 30 is subjected to Fourier transformation. The spectrum obtained in this way
F [S2_m] should ideally with that in the high frequency component 12 obtained spectrum F [S1] be identical and thus a peak 38 show its frequency position with that of the peak 32 matches. Under this condition, the spectra obtained in the two (or more) radio frequency components can be subjected to a combined evaluation in order to achieve greater performance of the radar sensor. For example, the two spectra can be added to improve the signal-to-noise ratio.

Eine Komplikation ergibt sich jedoch daraus, dass zwischen den beiden Hochfrequenzbausteinen 10, 12 unvermeidlich ein gewisser räumlicher Abstand besteht, so dass das Synchronisationssignal sync vom Master zum Slave einen gewissen Signalweg d zurücklegen muss. Dementsprechend ist das Synchronisationssignal, wenn es am Hochfrequenzbaustein 12 eintrifft, um eine Signallaufzeit d/c verzögert (c ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Synchronisationssignals). Diese Verzögerung führt zu einem Synchronisationsfehler zwischen den Modulationsmustern der Sendesignale TX in den beiden Hochfrequenzbausteinen.However, one complication arises from the fact that between the two high-frequency components 10 . 12 inevitably there is a certain spatial distance, so that the synchronization signal sync from the master to the slave has to travel a certain signal path d. Accordingly, the synchronization signal is when it is on the radio-frequency module 12 arrives to delay a signal propagation time d / c (c is the propagation velocity of the synchronization signal). This delay results in a synchronization error between the modulation patterns of the transmission signals TX in the two high-frequency components.

In 2 ist ein (vereinfachtes) Beispiel eines Modulationsschemas gezeigt. Die Frequenz f_r des Sendesignals ist hier als Funktion der Zeit t dargestellt und weist eine Folge von Modulationsrampen 40 mit einer Rampensteigung B/T auf, wobei B der Frequenzhub und T die Dauer der Modulationsrampe ist. Diese Dauer T ist zugleich auch die Dauer der Messperiode über die das Zeitsignal im Zeitsignalmodul 28 aufgezeichnet wird.In 2 a (simplified) example of a modulation scheme is shown. The frequency f_r of the transmission signal is shown here as a function of time t and has a sequence of modulation ramps 40 with a ramp slope B / T, where B is the frequency sweep and T the duration of the modulation ramp is. This duration T is at the same time the duration of the measurement period over the time signal in the time signal module 28 is recorded.

Im Hochfrequenzbaustein 12, der hier als Sender arbeitet, ist der Beginn jeder Modulationsrampe 40 gegenüber dem Beginn der Modulationsrampe im Hochfrequenzbaustein 10 um die Signallaufzeit d/c verzögert. Da in beiden Hochfrequenzbausteinen 10, 12 dasselbe Empfangssignal RX empfangen wird, dieses Signal jedoch mit gegeneinander zeitversetzten Sendesignalen TX gemischt wird, ist die Frequenz des Zeitsignals S2 im Hochfrequenzbaustein 10 nicht allein durch den Abstand des georteten Objekts und die entsprechende Signallaufzeit der Radarwellen bestimmt, sondern sie enthält noch einen zusätzlichen Anteil, der dadurch bedingt ist, dass die Modulationsrampe 40 im Hochfrequenzbaustein 10 schon um die Zeit d/c früher begonnen hat. Das Fenstermodul 36 in der Auswerteeinheit 26' für den Hochfrequenzbaustein 10 hat den Zweck, diesen Frequenzversatz auszugleichen.In the high-frequency module 12 , which works as a transmitter here, is the beginning of each modulation ramp 40 opposite the beginning of the modulation ramp in the high-frequency component 10 delayed by the signal delay d / c. Because in both high-frequency components 10 . 12 the same received signal RX is received, however, this signal with mutually delayed transmission signals TX is the frequency of the time signal S2 in the high-frequency module 10 not determined solely by the distance of the located object and the corresponding signal propagation time of the radar waves, but it still contains an additional proportion, which is due to the fact that the modulation ramp 40 in the high-frequency module 10 already started around the time d / c earlier. The window module 36 in the evaluation unit 26 ' for the high-frequency module 10 has the purpose of compensating for this frequency offset.

In 3 sind die Zeitsignale S1 und S2 als Funktionen der Zeit t dargestellt. Auf der vertikalen Achse ist hier nur der Realteil ReA der normierten (komplexen) Amplitude A angegeben. Man erkennt, dass die Frequenz des Zeitsignals S2 aufgrund des oben beschriebenen Synchronisationsfehlers gegenüber der Frequenz des Zeitsignals S1 erhöht ist. Im Fenstermodul 36 wird dieser Frequenzversatz wieder rückgängig gemacht, so dass im Idealfall das modifizierte Zeitsignal S2_m mit dem Zeitsignal S1 übereinstimmt. Dazu wird im Fenstermodul 36 das Zeitsignal S2, also die zeitabhängige Funktion S2(t) mit einer gleichfalls zeitabhängigen Fensterfunktion V ( t ) = exp ( j * 2 * pi * ( 1 / T ) * ( t x ) * b )

Figure DE102017215561A1_0001
multipliziert. Darin ist j die Wurzel aus (-1), pi ist die Kreiszahl, T ist die Dauer der Messperiode und zugleich die Rampendauer, b ist ein sogenannter Binversatz, der so gewählt wird, dass der Synchronisationsfehler ausgeglichen wird, und x ist ein beliebiger Wert aus dem Intervall [0, T], der eine konstante Phasenverschiebung bewirkt. Als vorteilhaft hat sich x = T/2 erwiesen.In 3 are the time signals S1 and S2 represented as functions of time t. On the vertical axis, only the real part ReA of the normalized (complex) amplitude A is indicated here. It can be seen that the frequency of the time signal S2 due to the above-described synchronization error with respect to the frequency of the time signal S1 is increased. In the window module 36 This frequency offset is reversed again, so that ideally the modified time signal S2_m with the time signal S1 matches. This is done in the window module 36 the time signal S2 , ie the time-dependent function S2 (t) with an equally time-dependent window function V ( t ) = exp ( - j * 2 * pi * ( 1 / T ) * ( t - x ) * b )
Figure DE102017215561A1_0001
multiplied. Where j is the root of (-1), pi is the circle number, T is the duration of the measurement period and at the same time the ramp duration, b is a so-called bin offset, which is chosen to compensate for the synchronization error, and x is an arbitrary value from the interval [0, T], which causes a constant phase shift. It has proved to be advantageous x = T / 2.

Bei der Fensterfunktion V(t) handelt es sich um eine komplexwertige Funktion, deren Betrag konstant den Wert 1 hat und deren Phase proportional zur Zeit t und zu dem Binversatz b ist. Der Ausdruck „Binversatz“ resultiert daraus, dass der Bereich der Frequenzen f, auf dem die Spektren F[S2_m] und F[S1] definiert sind, in eine Vielzahl (beispielsweise 512) Bins unterteilt ist, die jeweils eine Binbreite W = c/2B haben, wie in 4 gezeigt ist.The window function V (t) is a complex-valued function whose magnitude is constant 1 and whose phase is proportional to the time t and to the bin offset b. The term "bin offset" results from the fact that the range of frequencies f on which the spectra F [S2_m] and F [S1] are divided into a plurality (for example, 512) bins each having a bin width W = c / 2B, as in FIG 4 is shown.

In 4 ist zum Vergleich auch ein Spektrum F[S2] gezeigt, das man durch Fouriertransformation des Zeitsignals S2 erhalten würde, also ohne Fensterung mit der Fensterfunktion V. Man erkennt, dass der entsprechende Peak im Spektrum bei einer etwas höheren Frequenz liegt als der Peak in den Spektren F[S2_m] und F[S1], übereinstimmend mit dem Frequenzunterschied, der auch in 3 zu erkennen ist.In 4 is also a spectrum for comparison F [S2] shown by Fourier transform of the time signal S2 would receive, so without windowing with the window function V , It can be seen that the corresponding peak in the spectrum is at a slightly higher frequency than the peak in the spectra F [S2_m] and F [S1] , coinciding with the frequency difference, which is also in 3 can be seen.

Es ist zu bemerken, dass die Binbreite W die Dimension einer Länge hat, während auf der horizontalen Achse in 4 die Frequenz f als unabhängige Variable angegeben ist. Für das Radarecho eines Objekts mit dem Objektabstand D ist die Frequenz f, bei der der von dem Objekt herrührende Peak liegt, ist jedoch gegeben durch f = ( B / T ) * 2 D / c

Figure DE102017215561A1_0002
It should be noted that the bin width W has the dimension of a length while on the horizontal axis in 4 the frequency f is given as an independent variable. For the radar echo of an object with the object distance D is the frequency f at which the peak originating from the object lies, but is given by f = ( B / T ) * 2 D / c
Figure DE102017215561A1_0002

Die Frequenz f kann somit auch als Maß für den Objektabstand D betrachtet werden. Die in 4 gezeigten Frequenzbins sind deshalb äquivalent zu Abstandsbins mit der Binbreite W.The frequency f can thus also be used as a measure of the object distance D to be viewed as. In the 4 Frequency bins shown are therefore equivalent to distance bins with the bin width W.

Der Binversatz b ist gegeben durch das Verhältnis zwischen der Lauflänge d des Synchronisationssignals und der Binbreite W also b = d / W = d * 2B / c

Figure DE102017215561A1_0003
The bin offset b is given by the ratio between the run length d of the synchronization signal and the bin width W, therefore b = d / W = d * 2 B / c
Figure DE102017215561A1_0003

Unter diesen Bedingungen ist der Frequenzversatz zwischen den Peaks in den Spektren F[S2] und F[S2_m] äquivalent zu einer scheinbaren Änderung des Objektabstands D, die gleich der Lauflänge d ist. Folglich fällt das Spektrum F[S2_m] in 4 im wesentlichen mit dem im anderen Frequenzbaustein erhaltenen Spektrum F[S1] zusammen, so dass der Synchronisationsfehler kompensiert wird.Under these conditions, the frequency offset is between the peaks in the spectra F [S2] and F [S2_m] equivalent to an apparent change in the object distance D which is equal to the run length d. Consequently, the spectrum falls F [S2_m] in 4 essentially with the spectrum obtained in the other frequency component F [S1] together, so that the synchronization error is compensated.

In einer praktischen Ausführungsform wird auch die Vorverarbeitungsstufe 26, die dem Hochfrequenzbaustein 12 zugeordnet ist, ein Fenstermodul 36 enthalten. Die Fensterfunktion V kann neben dem in Gleichung (1) angegebenen komplexen Phasenfaktor auch einen reellen Faktor enthalten, der zur Unterdrückung von Nebenmaxima dient. Die Fenstermodule in den beiden Vorverarbeitungsstufen können dann jeweils zwischen einem Fenster mit komplexem Phasenfaktor und einem reellen Fenster ohne diesen Faktor umgeschaltet werden, je nach dem, ob ein Synchronisationsfehler korrigiert werden muss oder nicht. So lässt sich beispielsweise auch ein Betriebsmodus realisieren, bei dem der Master, also der Hochfrequenzbaustein 10, sendet und empfängt, während der Slave, also der Hochfrequenzbaustein 12, ausschließlich empfängt. In dem Fall würde der komplexe Phasenfaktor beim Hochfrequenzbaustein 10 deaktiviert und beim Hochfrequenzbaustein 12 aktiviert.In a practical embodiment, the preprocessing stage also becomes 26 that the high frequency component 12 is assigned, a window module 36 contain. The window function V In addition to the complex phase factor given in equation (1), it can also contain a real factor which serves to suppress secondary maxima. The window modules in the two preprocessing stages can then each be switched between a window with a complex phase factor and a real window without this factor, depending on whether or not a synchronization error has to be corrected. For example, it is also possible to realize an operating mode in which the master, that is to say the high-frequency component, is realized 10 , transmits and receives while the slave, so the high-frequency component 12 , exclusively receives. In that case, the complex phase factor would be at the high frequency device 10 deactivated and at the high-frequency module 12 activated.

Ebenso wäre - bei entsprechender Anpassung der Fensterfunktion - auch ein Betriebsmodus denkbar, bei dem der Hochfrequenzbaustein 12 den Master und der Hochfrequenzbaustein 10 den Slave bildet.Likewise, with an appropriate adaptation of the window function, an operating mode would also be conceivable in which the high-frequency component is 12 the master and the high-frequency module 10 forms the slave.

Das Synchronisationssignal sync könnte grundsätzlich auch unmittelbar durch das vom Master erzeugte Sendesignal TX gebildet werden. Wenn der Slave sendet, würde er dann einfach das vom Master erhaltene Synchronisationssignal als Sendesignal an die Antennenanordnung 14 weiterleiten. Der Slave brauchte dann keinen eigenen lokalen Oszillator aufzuweisen.The synchronization signal sync could in principle also be generated directly by the transmission signal generated by the master TX be formed. When the slave transmits, it would then simply transmit the synchronization signal received from the master as a transmit signal to the antenna array 14 hand off. The slave then did not need to have its own local oscillator.

Claims (5)

FMCW-Radarsensor mit mehreren Hochfrequenzbausteinen (10,12), die durch ein Synchronisationssignal (sync) miteinander synchronisiert sind und mindestens zwei räumlich voneinander getrennte Hochfrequenzbausteine (10, 12) umfassen, die jeweils einen Sendeteil (16) zum Senden eines in seiner Frequenz modulierten Sendesignals (TX) und/oder einen Empfangsteil (20) zum Empfang eines Radarechos (E) aufweisen, wobei jedem Empfangsteil (20) ein Mischer (22), der durch Mischen des empfangenen Signals (RX) mit einem Anteil des Sendesignals (TX) ein Zwischenfrequenzsignal (Z1, Z2) erzeugt, und eine Auswerteeinheit (24, 34) zugeordnet sind und die Auswerteeinheit (24, 34) dazu ausgebildet ist, das Zwischenfrequenzsignal (Z1, Z2) über eine Messperiode (T) als Funktion der Zeit (t) aufzuzeichnen und das so erhaltene Zeitsignal (S1, S2) einer Fouriertransformation zu unterziehen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine (34) der Auswerteeinheiten dazu ausgebildet ist, zum Ausgleich eines Laufzeitunterschieds des Synchronisationssignals (sync) zwischen den Empfangsteilen (20), das Zeitsignal (S1) vor der Fouriertransformation mit einer komplexwertigen Fensterfunktion (V) zu fenstern.FMCW radar sensor having a plurality of radio-frequency components (10, 12) which are synchronized with one another by a synchronization signal (sync) and comprise at least two spatially separate radio-frequency components (10, 12) each having a transmitting part (16) for transmitting a frequency-modulated one Transmit signal (TX) and / or a receiving part (20) for receiving a radar echo (E), wherein each receiving part (20) has a mixer (22) by mixing the received signal (RX) with a portion of the transmission signal (TX) generates an intermediate frequency signal (Z1, Z2), and an evaluation unit (24, 34) are assigned and the evaluation unit (24, 34) is adapted to the intermediate frequency signal (Z1, Z2) over a measurement period (T) as a function of time (t ) and to subject the time signal (S1, S2) thus obtained to a Fourier transformation, characterized in that at least one (34) of the evaluation units is designed to compensate for a run unlike the synchronization signal (sync) between the receiving parts (20), the time signal (S1) is fenced before the Fourier transformation with a complex-valued window function (V). Radarsensor nach Anspruch 1, bei dem mindestens zwei Hochfrequenzbausteine (10,12) sowohl einen Sendeteil (16) als auch einen Empfangsteil (20) aufweisen und die zugehörigen Auswerteeinheiten (24, 34) jeweils ein Fenstermodul (36) aufweisen, das zwischen der komplexwertigen Fensterfunktion und einer rein reellen Fensterfunktion umschaltbar ist.Radar sensor after Claim 1 in which at least two high-frequency components (10, 12) have both a transmitting part (16) and a receiving part (20), and the associated evaluation units (24, 34) each have a window module (36) between the complex-valued window function and a pure real window function is switchable. Radarsensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Fensterung in einer Multiplikation des Zeitsignals (S2) mit einer zeitabhängigen Fensterfunktion (V) besteht, die - wahlweise neben einem reellen Faktor mit zeitabhängig variablem Betrag - einen komplexen Phasenfaktor der Form exp ( j * w * ( t x ) )
Figure DE102017215561A1_0004
enthält, wobei t die Zeit ist, w proportional zu dem Signalweg d ist, den das Synchronisationssignal (sync) zwischen den Hochfrequenzbausteinen (10, 12) zurückzulegen hat, und x ein beliebiger Wert aus dem Intervall [0, T] und T die Dauer der Messperiode ist.
Radar sensor after Claim 1 or 2 in which the windowing consists in a multiplication of the time signal (S2) with a time-dependent window function (V), which - optionally in addition to a real factor with time-dependent variable amount - a complex phase factor of the form exp ( - j * w * ( t - x ) )
Figure DE102017215561A1_0004
where t is the time w is proportional to the signal path d which the synchronization signal (sync) between the high-frequency components (10, 12), and x is any value from the interval [0, T] and T is the duration of the measurement period.
Radarsensor nach Anspruch 3, bei dem der der Sendeteil (16) dazu ausgebildet ist, die Frequenz des Sendesignals (TX) während der Dauer der Messperiode T rampemförmig mit einem Frequenzhub B zu modulieren, und bei dem der komplexe Phasenfaktor gegeben ist durch exp ( j * 2 * pi * ( 1 / T ) * ( t x ) * b )
Figure DE102017215561A1_0005
mit b = d*2B/c, wobei c die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Synchronisationssignals ist, und d die Länge des Signalweges des Synchronisationssignals (sync) von einem Hochfrequenzbaustein zum anderen ist.
Radar sensor after Claim 3 in that the transmitting part (16) is designed to modulate the frequency of the transmission signal (TX) ramp-shaped with a frequency deviation B during the duration of the measuring period T, and in which the complex phase factor is given by exp ( - j * 2 * pi * ( 1 / T ) * ( t - x ) * b )
Figure DE102017215561A1_0005
with b = d * 2B / c, where c is the propagation velocity of the synchronization signal, and d is the length of the signal path of the synchronization signal (sync) from one high frequency device to the other.
Radarsensor nach Anspruch 3 oder 4, mit x = T/2.Radar sensor after Claim 3 or 4 , with x = T / 2.
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